Микроконтроллеры общего назначения для встраиваемых приложений производства ATMEL Corporation

     Для программирования микроконтроллеров MARC4 разработано программное обеспечение  для платформы PC с компилятором языка  высокого уровня qFORTH. Существует также плата аппаратного внутрисхемного эмулятора. Архитектура MARC4 позволяет использовать для разработки проектов язык высокого уровня без потери эффективности и плотности программного кода.

 

      ARM Thumb 

     Eще  в 1994 году фирмой ARM было разработано 32-разрядное процессорное RISC-ядро ARM7. Оно оказалось настолько удачным, что легло в основу целого ряда 32-разрядных процессоров, и, с различными модификациями, используется до настоящего времени.  

     Архитектура ARM является RISC-архитектурой. Система команд и связанный с нею механизм декодирования намного проще, чем у микропрограммируемых CISC-процессоров, что приводит к высокой скорости обработки команд и малому времени отклика на прерывания. Кроме этого, RISC-процессор реализуется на кристалле меньших размеров, что снижает его стоимость.  

     Технология Thumb - дополнительное расширение к архитектуре ARM. Система команд Thumb является производной  от стандартной 32-разрядной системы  команд ARM, перекодированных в 16-разрядные  коды. Применение системы команд Thumb позволило достичь очень высокой плотности кода, поскольку команды Thumb составляют половину ширины формата команд ARM. В процессе выполнения эти новые 16-разрядные Thumb-коды декомпрессируются процессором в соответствующие эквивалентные команды ARM, которые затем и выполняются процессорным ядром обычным способом. Thumb-ориентированные ядра имеют по сути две отдельных системы команд - уникальное достоинство, позволяющее разработчику использовать как производительность 32-разрядной системы команд ARM, так и преимущества малого размера кода системы команд Thumb. Средства декодирующей логики Thumb чрезвычайно просты, что лишь незначительно увеличивает размер кристалла и не приводит к увеличению энергопотребления. Впервые технология Thumb была встроена в ядро ARM7 еще в 1995 году. Адаптированное под нее ядро получило типовое обозначение ARM7TDMI (ARM7, T-наличие Thumb; D-возможность внутрисхемной аппаратной отладки; M-наличие аппаратного перемножителя; I-наличие модуля управления отладкой) и за короткое время было лицензировано большим количеством фирм-производителей, таких как Atmel, CirrusLogic, Sharp, Samsung, Triscend и др. Ядро ARM7TDMI используется как при создании различных устройств типа ASIC, так и при создании микроконтроллеров общего назначения и реконфигурируемых систем на кристалле. Основные достоинства ARM Thumb - высокая производительность при низком энергопотреблении и многофункциональность. Это определяет основную нишу для конечных приложений - интеллектуальная портативная и носимая аппаратура, в том числе и с батарейным питанием. Многие производители сложной электронной техники уже используют ядро ARM Thumb, встраивая его в свои законченные интегральные изделия. Это, например, приемники GPS (фирмы Mitel и SiRF), оборудование для базовых станций GSM (Ericsson) и сами телефоны GSM, приложения Audio WMA/MP3 (dBTech и Microsoft), модемы (Ericsson), пейджеры (Motorola), торговые терминалы, сетевые устройства и др.  

     Фирма Atmel начала поставки микроконтроллеров  семейства AT91, в основу которых положено ядро ARM7TDMI, в сентябре 1998 года. И данное направление активно развивается. Atmel позиционирует AT91 ARM Thumb как стандартное 32-разрядное процессорное ядро для разнообразных массовых применений. Основные силы корпорации направлены на совершенствование технологического процесса, при этом в производство для широкой продажи попадают только удачные решения, реально претендующие на универсальность. По объему выпуска микросхем АТ91 с ядром ARM7TDMI корпорация вплотную приблизилась к признанным лидерам - Motorola и MIPS. В настоящее время выпущено и анонсировано три семейства микроконтроллеров серии AT91 - M40, M63 и M55. В планы корпорации Atmel входит также разработка и выпуск ряда комбинированных кристаллов - AT91+Ethernet/USB, AT91+CAN и AT91+MP3.  

     Микроконтроллеры семейства AT91 производятся по CMOS-технологии Atmel и обеспечивают оптимальное сочетание 32-разрядной производительности и малого потребления (лидируют по соотношению MIPS/Watt). При этом стоимость кристаллов AT91 сравнима со стоимостью 16-разрядных микроконтроллеров.  

     Успех ARM производства Atmel Corp. на рынке встраиваемых микроконтроллеров обусловлен еще  и тем, что эти микросхемы изначально задумывались как семейство кристаллов. Выпускаются скоростные процессоры M40, кристаллы с мультипроцессорным интерфейсом M63, Flash и SRAM - кристаллы семейств 91F, 91R и 91FR, а также микросхемы сверхнизкого энергопотребления с аналоговыми блоками - M55 и М42.  

Отличительные особенности семейства AT91:

• 32-разрядное процессорное RISC-ядро ARM7TDMI;
• два набора инструкций : высокопроизводительная 32-разрядная система команд ARM и 16-разрядная система команд с высокой плотностью кода Thumb;
• встроенный аппаратный перемножитель;
• интерфейс внутрисхемной эмуляции;
• программируемый интерфейс внешней шины;
• контроллер данных периферии для быстрого обмена данными без участия центрального процессора;
• векторный контроллер прерывания с малым временем ожидания;
• широкий диапазон встроенной периферии;
• наличие различных режимов энергосбережения, в том числе усовершенствованный контроллер управления питанием;
• диапазон напряжений питания от 1,8 до 3,6 В;
• исполнения для коммерческого и индустриального диапазонов температур.

 

   Полностью программируемый интерфейс внешней  шины EBI обеспечивает прямое соединение с внешней памятью. Восьмиуровневый векторный контроллер прерываний совместно с контроллером данных периферии PDC существенно увеличивает производительность кристаллов при работе в реальном масштабе времени.  

   Atmel Corp. предлагает также недорогие средства  поддержки разработок - стартовые наборы разработчика:

AT91EB40/A - для микроконтроллеров  AT91x40xxx (для микроконтроллеров со  встроенным Flash-ПЗУ предлагается  дополнительная плата расширения  памяти AT91MEC01).

AT91EB62 - для микроконтроллеров  AT91M63200/AT91M43300

AT91EB42 - для микроконтроллеров  AT91M42800A

AT91EB55 - для микроконтроллеров  AT91M55800A  

     Процесс разработки приложений на основе микроконтроллеров  семейства AT91 полностью поддерживается современными средствами проектирования (включая компиляторы языка Си, ассемблеры, отладчики, операционные системы реального времени) ведущих мировых производителей, таких как ARM, IAR Systems, GreenHills Software, Metaware, WindRiver и др. Кроме того, для этих микроконтроллеров доступны бесплатные средства разработки (GNU). Постоянно совершенствуются и аппаратные средства поддержки разработок для ARM, которые выпускаются сторонними фирмами - внутрисхемные эмуляторы и отладочные комплексы.  

     В качестве примера рассмотрим микроконтроллер  AT91FR40162S. AT91FR40162 – представитель семейства 16/32-разрядных микроконтроллеров AT91, которые основаны на процессорном ядре ARM7TDMI. Процессор построен по высокопроизводительной 32-разрядной RISC-архитектуре с расширенным набором инструкций и очень низким потреблением тока.  

     ARM-микроконтроллер AT91FR40162 характеризуется наличием 2 Мбит встроенного статического ОЗУ и 2 Мбайт флэш-памяти в одном компактном 121-выв. корпусе BGA. Высокая степень интеграции и очень малые габариты делают данное устройство идеальным для применения в приложениях с ограниченными размерами.  

     Быстродействующее встроенное статическое ОЗУ позволяет  достигнуть производительности до 74 млн. инстр. в сек. при типичных условиях применения и существенно уменьшить  потребляемый ток и электромагнитные излучения по сравнению с внешней установкой статического ОЗУ. Флэш-память может программироваться через интерфейс JTAG/ICE или через запрограммированный в производственных условиях загрузчик, который использует питание микросхемы, что позволит использовать AT91FR40162 в приложениях с внутрисистемным программированием.  

     Основные  параметры

     Ядро:  ARM7TDMI

     MIPS: 74

     F,МГц:  от 0 до 75

     Память: Flash,кБ 2048

     Память: RAM,кБ 256

     I/O (макс.),шт. 32

     Таймеры: 16-бит,шт 3

     Таймеры: RTC Нет

     Интерфейсы: UART,шт  2

     Интерфейсы: DMA,шт 4

     VCC,В:  от 1.65 до 3.6

     ICC,мА: 16

     TA,°C: от -40 до 85

     Корпус: TFBGA-121 

      Ниже  приведена блок-схема микроконтроллера:

Рис. 1. Блок-схема  микроконтроллера AT91FR40162S

AVR 8-bit RISC 

     AVR-микроконтроллеры, пожалуй, одно из самых интересных  направлений, развиваемых корпорацией Atmel. Объемы продаж AVR в мире удваиваются ежегодно, неуклонно растет число сторонних фирм, выпускающих программные и аппаратные средства поддержки разработок для этих микроконтроллеров. Можно считать, что AVR постепенно становится еще одним индустриальным стандартом среди 8-разрядных микроконтроллеров общего назначения. В настоящее время в производстве у Atmel Corp. находятся три семейства AVR - "tiny", "classic" и "mega", различающиеся объемами массивов Flash-, EEPROM и SRAM памяти, набором периферийных узлов и построением схемы тактирования.  

     AVR представляет собой 8-разрядный  RISC микроконтроллер, имеющий быстрое  процессорное ядро, Flash-память программ ROM, память данных SRAM, порты ввода/вывода  и интерфейсные схемы. Гарвардская архитектура AVR реализует полное логическое и физическое разделение не только адресных пространств, но и информационных шин для обращения к ROM и SRAM. Такое построение уже ближе к структуре цифровых сигнальных процессоров и обеспечивает существенное повышение производительности. Использование одноуровневого конвейера в AVR также заметно сократило цикл "выборка - исполнение" команды. Например, у стандартных микроконтроллеров семейства MCS-51 короткая команда выполняется за 12 тактов генератора (1 машинный цикл), в течение которого процессор последовательно считывает код операции и исполняет ее. В микроконтроллерах AVR короткая команда в общем потоке тоже выполняется за один машинный цикл, но он составляет всего один период тактовой частоты. Отличительной чертой архитектуры AVR является регистровый файл быстрого доступа, содержащий 32 байтовых регистров общего назначения. Шесть регистров файла могут использоваться как три 16-разрядных указателя адреса при косвенной адресации данных (X, Y и Z Pointers), что существенно повышает скорость пересылки данных при работе прикладной программы.  

     Flash-память  программ AVR может быть загружена  как с помощью обычного программатора,  так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно  на целевой плате - функция ISP. Последние версии кристаллов "mega" выпуска 2001-2002 года имеют возможность самопрограммирования (функция SPM). Все AVR имеют также блок энергонезависимой памяти данных EEPROM, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения. EEPROM обычно используется для хранения промежуточных данных, констант, таблиц перекодировок, калибровочных коэффициентов и т.п. Эта память может быть загружена извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Два программируемых бита секретности позволяют защитить ROM и энергонезависимую память данных EEPROM от несанкционированного считывания. Внутренняя оперативная память SRAM имеется у AVR семейств "classic" и "mega", а также у одного представителя "tiny" - ATtiny26/L. Для некоторых микроконтроллеров возможна организация подключения внешней памяти данных объемом до 64К.  

     Внутренний  тактовый генератор AVR может запускаться  от внешнего генератора или кварцевого резонатора, а также от внутренней или внешней RC-цепочки. Все AVR полностью статические, их минимальная рабочая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Микроконтроллер ATtiny15L имеет дополнительный блок PLL для аппаратного умножения основной тактовой частоты в 16 раз. При ее номинальном значении 1,6 МГц получаемая вспомогательная периферийная частота равна 25,6 МГц. Эта частота может служить источником для одного из таймеров/счетчиков микроконтроллера, значительно повышая точность его работы. Микроконтроллеры ATmega64/103/128 также имеют интересную архитектурную особенность, позволяющую значительно снизить энергопотребление кристалла в целом, когда в процессе работы целесообразно понизить основную тактовую частоту микросхемы. Специальный предделитель на кристалле позволяет делить основную частоту на целое число в диапазоне от 2 до 129. Включение/выключение данной функции осуществляется программно.  

     Микроконтроллеры AVR имеют от 1 до 4 таймеров/счетчиков  общего назначения с разрядностью 8 или 16 бит.  

Общие черты  всех таймеров/счетчиков следующие:  

• наличие программируемого предделителя входной частоты с различными градациями деления. Отличительной чертой является возможность работы таймеров/счетчиков на основной тактовой частоте микроконтроллера без предварительного ее понижения, что заметно повышает точность генерации временных интервалов системы;